Материалы с памятью формы

Материалы с памятью формы и их особенности

Металл, который «помнит» свою форму, звучит почти как фантастика. Согните проволоку, скрутите её, а затем нагрейте — и она сама вернётся к исходному виду, будто ничего и не было. За этим удивительным поведением стоит вполне понятная физика. Ниже разберём, как работает эффект памяти формы, какой материал стал его главным символом и где такие сплавы уже приносят пользу.

Что управляет эффектом

За проявление эффекта отвечают две ключевые величины. Первая — марка сплава со строго выдержанным химическим составом. Вторая — температуры мартенситных превращений.

Именно превращения лежат в основе всего механизма. Их два — прямое и обратное, и каждое разворачивается в своём температурном интервале. Сами эти температуры не постоянны: они зависят от системы сплава и его химического состава. Стоит заметно изменить состав — и температуры сдвигаются. Отсюда и жёсткое требование: чтобы эффект проявлялся однозначно, состав нужно выдерживать очень точно.

У эффекта есть и приятные особенности. Он способен повторяться несколько миллионов циклов, а термическая обработка позволяет его усилить. Есть и обратная зависимость: чем выше температура обратного мартенситного превращения, тем слабее выражен сам эффект.

Деформация ориентированного превращения

Отдельного внимания заслуживает деформация ориентированного превращения — тонкий момент в функциональных свойствах памяти формы. Суть в следующем.

Представим тело, которое охлаждают под напряжением. Если разгрузить его в том диапазоне температур, где идёт пластичное прямое мартенситное превращение, и при этом не прерывать охлаждение, поведение материала может пойти по двум сценариям.

• В большинстве случаев макроскопического деформирования не происходит сразу — деформация продолжает накапливаться так, словно тело и не разгружали. Это называют деформацией ориентированного превращения кристаллов положительной ориентации.
• В других случаях наблюдается интенсивный возврат при охлаждении — это уже отрицательная ориентация.

Нитинол — материал номер один

Среди материалов с памятью формы самый известный и распространённый — нитинол, он же никелид титана, относящийся к интерметаллам. Его применяют в самых разных областях, и во многом благодаря удачному набору характеристик.

Физика у нитинола такая. Температура плавления держится около 1300 градусов Цельсия, плотность — почти 6,5 грамма на кубический сантиметр. В исходном состоянии он имеет объёмно-центрированную кубическую решётку типа CsCl. При деформации запускается термоупругое мартенситное превращение, и рождается фаза низкой симметрии.

Полезных свойств у него хватает:

• высокая прочность;
• высокая коррозионная стойкость;
• высокий коэффициент восстановления формы;
• большая восстанавливающая сила;
• высокая демпфирующая способность;
• хорошая биологическая совместимость.

Не обошлось и без слабых мест. Нитинол трудно обрабатывать при изготовлении деталей — особенно резанием. Вдобавок он легко присоединяет азот и кислород, а это ведёт к интенсивному окислению.

Как выплавляют нитинол

Получают нитинол в электродуговой либо в вакуумно-гарнисажной печи. Шихта в обоих случаях одинакова: никель марки Н-0 и титановая трубка, спрессованная в брикет. Чтобы состав получился равномерным и по высоте, и по сечению слитка, металл переплавляют дважды или трижды.

Для плавки в электродуговой печи заданы конкретные параметры: сила тока — не меньше 1,2 килоампера, напряжение — 40 вольт, давление гелия — около 53 мегапаскалей. Поверхностные дефекты убирают обдиркой наждачным кругом. А если состав нужно выровнять по всему объёму слитка, проводят гомогенизацию — при температуре от 950 до 1000 градусов Цельсия и в условиях инертной атмосферы.

Не только нитинол: другие сплавы

Нитинол — далеко не единственный обладатель эффекта. К концу двадцатого века насчитали уже более 20 сплавов с памятью формы. Среди них:

• золото-кадмий;
• медь-цинк-алюминий;
• медь-алюминий-никель;
• железо-марганец-кремний;
• железо-никель;
• медь-алюминий;
• медь-марганец;
• никель-алюминий.

Где всё это работает

Область применения материалов с памятью формы поражает широтой — от операционной до кухни. Их используют:

• в соединительных втулках;
• в стентах для рентгенэндоваскулярной хирургии;
• в реабилитационных перчатках;
• в противозачаточных спиралях;
• в искусственных мышцах;
• в крепёжных штифтах;
• в искусственных удлинительных приспособлениях;
• в стержнях для коррекции позвоночника;
• в оправах очков;
• в ортодонтических дугах;
• в дентальных имплантах;
• в тепловой сигнализации — пожарных заслонках, пожарной сигнализации, сетевых предохранителях, электронных контактах, сигнальных устройствах, регулирующих клапанах и подобном;
• в самописцах;
• в кофеварках;
• в электронных сушилках.

Получается, что за простой на первый взгляд способностью металла «вспоминать» форму стоит целая система условий — точный состав, выверенные температуры превращений, продуманная выплавка. Соблюдёшь их — и материал послушно возвращается к заданному виду миллионы раз подряд, находя себе место и в медицине, и в технике, и в быту.